中国东北耕地物候期对气候变化的响应(英文)

We investigated the responses of cropland phenophases to changes of agricultural thermal conditions in Northeast China using the SPOT-VGT Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) ten-day-composed time-series data, observed crop phenophases and the climate data collected from 1990 to 2010. First, the phenological parameters, such as the dates of onset-of-growth, peak-of-growth and end-of-growth as well as the length of the growing season, were extracted from the smoothed NVDI time-series dataset and showed an obvious correlation with the observed crop phenophases, including the stages of seedling, heading, maturity and the length of the growth period. Secondly, the spatio-temporal trends of the major thermal conditions (the first date of ≥10℃, the first frost date, the length of the temperature-allowing growth period and the accumulated temperature (AT) of ≥10℃) in Northeast China were illustrated and analyzed over the past 20 years. Thirdly, we focused on the responses of cropland phenophases to the thermal conditions changes. The results showed that the onset-of-growth date had an obvious positive correlation with the first date of ≥10℃ (P < 0.01), especially in the northern part of the Songnen Plain, the eastern part of the Sanjiang Plain and the middle and eastern parts of Jilin Province. For the extracted length of growing season and the observed growth period, notable correlations were found in almost same regions (P < 0.05). However, there was no obvious correlation between the end-of-growth date and the first frost date in the study area. Opposite correlations were observed between the length of the growing season and the AT of ≥10℃. In the northern part of the Songnen Plain, the eastern part of the Sanjiang Plain and the middle part of Jilin and Liaoning Provinces, the positive correlation coefficients were higher than the critical value of 0.05, whereas the negative correlation coefficients reached a level of 0.55 (P < 0.05) in the middle and southern parts of Heilongjiang Province and some parts of the Sanjiang Plain. This finding indicated that the crop growth periods were shortened because of the elevated temperature; in contrast, the extended growth period usually meant a crop transformation from early- or middle-maturing varieties into middle or late ones.     

东北三省耕地物候期对热量资源变化的响应

选取1998-2010 年期间的SPOT/VGT NDVI逐旬时间序列数据、物候观测数据和气候数据,利用函数拟合方法、GIS空间分析和统计方法,分析了东北三省不同耕地物候期对热量资源变化的响应关系。首先,基于拟合数据提取了耕地物候期特征(包括生长季开始期、峰值期、结束期与生长季长度等),验证结果显示与不同作物的观测物候期存在明显对应关系,能较好地反映作物物候期特征的宏观时空分异。其次,分析了1991-2009 年期间区内主要农业热量资源(≥ 10 oC初日,初霜日,温度生长期天数和≥ 10 oC积温) 的时空变化特征。最后,重点分析了1998-2009年期间耕地物候期特征对热量资源变化的响应。结果表明,生长季开始期与≥10 oC初日在松嫩平原北部、三江平原东部和吉林省中东部的正相关系显著(P < 0.01);生长季长度与温度生长期天数亦在上述区域内表现为显著正相关关系(P < 0.05);然而,生长季结束期与初霜日的相关关系整体上较不明显;此外,生长季长度与≥ 10 oC积温的相关关系存在两种相反的情形,在松嫩平原西北部、三江平原、吉林省中部和辽宁省中部的负相关关系显著(P < 0.05),而黑龙江省中南部和三江平原部分区域,两者相关系数达到0.55 (P < 0.05),分别反映了作物生长发育周期的缩短态势和中早熟作物被中晚熟作物替代的趋势。     

2000-2015年三江平原主要作物需水量征及影响因素分析

全生育期内作物需水量的研究是农业水资源有效利用和进行合理灌溉的重要依据。基于三江平原22个气象站点2000—2015年逐日气象观测资料及中国区域地面气象要素数据集,利用国际粮农组织 （FAO）Penman-Monteith模型和分段单值平均作物系数法,分别对三江平原水稻、玉米和大豆的作物需水量进行计算,分析作物需水量年际变化特征,采用通径分析法研究作物需水量的变化成因。结果表明：（1）三江平原16 a来年均参考作物蒸散量为537.4 mm,日均为 3.5 mm,呈波动减少趋势。（2）生长季内,水稻在分蘖期需水量最大,为177.1 mm,玉米在七叶期需水量最大,为99.7 mm,大豆在结荚期需水量最大,为96.1 mm;水稻、玉米和大豆的净灌溉需水量分别为195.4 mm、130.8 mm和72.2 mm,对灌溉的依赖程度水稻>玉米>大豆。（3）由通径分析结果可知,三江平原作物需水量的主要影响因素为净辐射、气温和日照时数。     

近20年中国农业主产区耕地资源质量和产能变化研究

依据全国土地利用图与土地资源质量评价图,分析1980s末至2005年末中国农业主产区内耕地资源数量和空间格局的动态变化,并对由此带来的耕地质量和产能的变化做出宏观评估。主要结论如下:1)2005年农业主产区耕地面积①为9 321.96万hm2,较1980s末增加175.53万hm2。2)耕地在空间上呈现"北增南减"的变化格局。北方的内蒙古东部区、新疆区、松嫩平原区和三江平原区为耕地净增加区,共增加354.41万hm2,各区分别增长10.29%、19.10%、10.91%和14.14%;偏南部的黄淮海区、长江中下游及江淮地区、华南蔗果区和四川盆地区为耕地净减少区,各区分别减少2.17%、2.00%、3.15%和5.61%。3)根据土地资源图对耕地质量的划分结果,20年间农业主产区内耕地面积和空间格局的变化导致一等耕地减少3.24%,二、三等耕地和宜林宜牧地分别增加2.91%、7.81%和14.10%。4)考虑各区耕地复种指数和耕地质量的影响,结合耕地单产数据进行耕地产能的核算,结果显示,在耕地数量净增1.92%的情况下,耕地的总体产能依然下降0.84%。     

基于GIMMS 3g NDVI的近30年中国北部植被生长季始期变化研究

基于全球库存建模与绘图研究第三代归一化差值植被指数（GIMMS 3g NDVI）、土地利用和气温降水数据,利用NDVI时间序列谐波分析法(HANTS)重构了中国北部地区原始植被NDVI,用一元六次多项式拟合了植被生长曲线并结合逐像元动态阈值法提取了中国北部地区1983~2012年植被生长季始期并分析了其时空变化及对气温和降水的响应情况。结果表明：①GIMMS 3g NDVI具有较长的时序特征和较好的数据质量,经HANTS时间序列谐波分析后能很好的表现植被生长季曲线特征,可用于后续植被生长季的研究。② 北部地区生长季始期均值主要集中分布在80~150βd之间,全区30βa平均为111.6βd,东北平原、华北平原、河套平原、新疆天山和阿尔泰地区生长季始期早于其它区域。③ 研究时段内北部地区生长季始期总体上呈提前趋势（R²=0.19）,空间上由西北向东北逐渐推移,明显提前的区域主要分布在内蒙古中东部、东北平原、陕西南部和新疆天山的部分地区,明显推迟的区域主要分布在青藏高原高寒地区。④ 因植被类型的不同和区域的差异,生长季始期对气温和降水的响应程度不同,春季气温是影响生长季始期变化的主要自然因素。     

三江平原近50年耕地面积动态变化序列重建

基于1950-2000年三江平原23个县市和3个农垦管理局耕地面积的统计数据,利用空间插值和线性时间内插方法对统计缺失数据进行插补,重建其50年耕地面积时空变化序列。重建的耕地面积变化序列显示,1950年该区域耕地面积仅有88.7万hm2,到2000年增至269.6万hm2,增加了203.9%,除20世纪60年代后期外,该区域耕地基本表现为持续增加。在空间变化方面,近50年三江平原耕地面积增加的重心表现为由早期的平原西部逐渐向中东部转移。耕地面积变化的主要原因在于该区域3个农垦管理局所辖的农场对自然湿地的大规模垦殖,其108.8万hm2的耕地面积几乎全部源于近50年的湿地垦殖。     

三江平原NDVI时空变化及其对气候变化的响应

基于2000-2014年生长季MODIS NDVI数据和同期降水、平均气温的格点数据,采用趋势分析法、SPEI指数、相关分析法,对三江平原NDVI时空变化特征和对气候变化的响应进行了分析。结果表明:近15年三江平原区生长季的NDVI以0.017/10a的速率呈缓慢上升趋势。其中NDVI显著增加和极显著增加的面积占比分别为13.43%和12.55%,NDVI变化趋势轻度改善的面积较大,占比为25.52%;三江平原地区生长季的多年平均气温总体呈下降趋势,降水量呈上升趋势,总体上生长季标准化降水蒸散指数(SPEI)数值呈上升趋势,干旱化逐年减弱,中等干旱状况得到缓解,渐渐过渡到轻微湿润状态,对植被覆盖面积的增加有促进作用,也为该区域的生态环境恢复提供了有利条件;三江平原地区生长季NDVI与生长季气温、降水量及SPEI主要呈正相关,与降水呈正相关面积占72.64%,与SPEI呈正相关的面积占70.51%,与气温呈正相关的面积占56.73%。NDVI与降水的相关性最高,说明降水是三江平原植被生长的主导气候因子。     

气候变化背景下中国玉米生产潜力变化特征

玉米作为中国第一大粮食作物,探究其生产潜力在气候变化背景下的时空变化特征对中国有效应对气候变化具有重要意义。论文结合全球农业生态区模型、极点对称模态分解方法和集对分析方法,探讨了中国玉米生产潜力的周期性波动特征及长期变化趋势,进而分析了其空间格局演变过程。结果表明：1960—2010年间,中国玉米生产潜力呈增加趋势,由1960年代的9.10亿t增至2000年代的9.45亿t左右。在年际尺度上,中国玉米生产潜力主要以准3 a和准5 a的周期进行波动;在年代际尺度上,存在准10 a和准20 a的波动周期。其中,准3 a的周期波动是中国玉米生产潜力长时间变化的最主要特征,这主要是受年降水量变化的影响。从空间格局来看,中国玉米生长适宜区主要集中在加格达奇—锡林浩特—临河—西宁—天水—中甸沿线以东;1960—2000年间,玉米生产潜力界线在中国东北部和临河—西宁沿线发生了较为明显的移动。华北平原、辽河平原、四川盆地等地区的玉米单产潜力变化趋势具有较强的一致性,松嫩平原、三江平原、关中盆地、长江中下游平原等地区的玉米单产潜力变化过程与上述地区恰好相反。在这2类地区,玉米单产潜力的变化均较显著,但变化方向在年代际尺度上具有交替性。     

云南雨季开始期的特征以及与南海季风和印度季风开始期的可能关系

应用EOF、Morlet小波分析方法对云南雨季开始期的时空特征及多尺度周期变化特征进行分析,使用相关分析初步分析印度季风和南海季风开始期与其关系.结果表明：（1）云南雨季开始期的EOF第一模态表明全省雨季开始期一致偏早（晚）,EOF第二模态表明滇中及以东、滇东北、滇东南、滇西南部分地区与滇西、滇西北、滇南大部分地区雨季开始期反相变化的空间分布特征.（2）云南雨季开始期存在着明显的周期性波动,连续小波变换分析表明云南雨季开始期存在2～4年和5～7年的振荡周期.（3）南海季风开始期与云南雨季开始期相关不好,印度季风开始期与云南雨季开始期存在很好的相关性.     

大面积开荒扰动下的三江平原近45年气候变化

黑龙江省三江平原近45年来，经过大规模的开荒，农田已取代原来的沼泽和沼泽化湿地，成为现今三江平原的主要景观类型，其下垫面发生了巨大变化，采用1955－1999年三江平原地区21个气象台站的气温，降水，日照时数和气压4个要素的资料，分析近45年来三江平原的气候变化和发展趋势：用Yamamoto法和Mann-Kendall法对5年滑动平均的区域季节和年时间序列进行突变检测，定量地认述了三江平原地区的气候变化事实，对于各气候要素出现在20世纪60年代，70年代和80年代的突变事实，尤其是20世纪70年代以来的阶梯式的持续变暖事实，认为三江平原区域气候系统内部的变化可能是引起这些突变的直接原因。     

1951年以来中国无霜期的变化趋势

准确界定无霜期及初、终霜日的时空变化是减少气候变化对农业生产的危害、有效提升农业适应性的重要内容。根据1951年以来国内824个气象站点日最低气温资料,分析初、终霜日和无霜期在全国的分布特征,采用累积距平和线性倾向估计模拟三者的变化趋势,并对无霜期进行突变检验。结果显示：① 中国无霜期随纬度增加或海拔升高而减少,无霜期的年际波动幅度随纬度增加或随海拔降低而减少。② 中国80%以上区域呈现初霜日推后、终霜日提前和无霜期延长的趋势,且三者的变化幅度均是北方大于南方、东部大于西部。③ 中国多数农区无霜期延长是初霜日推后和终霜日提前共同影响,而西南区和长江中下游区部分地区无霜期延长是初霜日的推后幅度大于终霜日的推后幅度或终霜日的提前幅度大于初霜日的提前幅度。④ 中国过半区域无霜期在1980s和1990s发生突变。突变集中分布在东北区中西部、内蒙及长城沿线区、黄淮海区、青藏区和甘新区;突变时间上,东部农区和西部农区无霜期分别在1980s和1990s突变。     

Accuracy assessment of approaches to spatially explicit reconstruction of historical cropland in Songnen Plain,Northeast China

To understand historical human-induced land use/cover change (LUCC) and its climatic effects, it is essential to reconstruct historical land use/cover changes with explicit spatial information. In this study, based on the historically documented cropland area at county level, we reconstructed the spatially explicit cropland distribution at a cell size of 1 km × 1 km for the Songnen Plain in the late Qing Dynasty (1908 AD). The reconstructions were carried out using two methods. One method (hereafter, referred to as method I) allocated the cropland to cells ordered from a high agricultural suitability index (ASI) to a low ASI, but they were all within the domain of potential cropland area. The potential cropland area was created by excluding natural woodland, swamp, water bodies, and mountains from the study area. The other method (hereafter, method II) allocated the cropland to cells in the order from high ASI to low ASI within the domain of cropland area in 1959. This method was based on the hypothesis that the cropland area domain in 1959 resulted from enlargement of the cropland area domain in 1908. We then compared these two reconstructions. We found that the cropland distributions reconstructed by the two methods exhibit a similar spatial distribution pattern. Both reconstructions show that the cropland was mostly found in the southern and eastern parts of the Songnen Plain. The two reconstructions matched each other for about 68% of the total cropland area. By spatially comparing the unmatched cropland cells of the two reconstructions with the settlements for each county, we found that unmatched cropland cells from method I are closer to settlements than those from method II. This finding suggests that reconstruction using method I may have less bias than reconstruction with method II.     

1960-2015年中国绿洲胡杨生长季对全球变暖的时空响应及原因

基于中国绿洲胡杨（Populus euphratica Oliv.）分布区48个地面气象站1960-2015年逐日平均气温数据,采用线性趋势法、Mann-Kendall检验、ArcGIS反距离加权插值法（IDW）、Morlet小波功率谱和相关分析等方法,分析了中国绿洲胡杨年生长季的起止日及生长期长短对气候变暖的时空响应特征及原因。结果表明：近56年来,中国绿洲胡杨年生长季具有起始日提前、终止日推迟、生长期延长的变化趋势,变化倾向率分别为-1.34 d/10a、1.33 d/10a、2.66 d/10a（α ≥ 0.001）;空间差异十分显著,呈现出由西南向东北起始日越迟,终止日越早,生长期越短的变化规律。胡杨生长季起止日及生长期分别在2001年、1989年和1996年发生突变,且分别存在3.56~7.14 a不等的短周期,与厄尔尼诺2~7 a的周期一致,起始日3.56 a和4.28 a的周期与大气环流2~4 a的周期吻合。原因分析表明亚洲极涡面积指数、青藏高原指数、西风指数和年均二氧化碳排放量是影响胡杨生长季变化的主要因素;此外,纬度对胡杨生长季的影响要明显大于海拔高度,且起始日受纬度和海拔高度的影响比终止日更加显著;胡杨生长季起止日和生长期分别与对应月份的平均气温呈显著的高相关性,且3月均温每升高1 ℃,起始日提前2.21 d,10月均温每升高1 ℃,终止日推迟2.76 d,3-10月均温每升高1 ℃,生长期延长7.78 d,表明胡杨生长季的变化对全球增暖的区域响应十分敏感。     

三江平原典型沼泽湿地生态系统水分通量研究

利用野外定位观测数据 ,对三江平原典型沼泽湿地主要界面水分通量进行计算和分析。结果表明 ,2 0 0 3年生长季沼泽湿地系统与大气水分交换量 (蒸散发 )总量为 4 2 4 .7mm ,沼泽湿地水面 -大气水分通量 (水面蒸发 )总量为 2 6 0mm ,沼泽湿地植被 -大气界面水分通量 (蒸腾量 )总量约为 16 4 .7mm ;对沼泽湿地生长季水平衡的计算表明 ,生长季水分亏缺量达 14 0 .5mm ;非生长季大气降水是沼泽湿地生长季生态用水的重要来源。     

人类活动影响下淡水沼泽湿地温室气体排放变化

利用静态箱/气相色谱法,研究了三江平原淡水沼泽湿地及垦殖农业利用下CO₂、CH₄、N₂O排放变化。不同类型湿地生长季土壤呼吸速率以季节性积水的小叶章草甸最大,湿地垦殖后土壤呼吸速率明显增大。不同类型沼泽湿地CH₄排放在时空两个方面都有明显的变化,与土壤水分条件、植物群落类型和生长状况有密切关系。沼泽湿地及垦殖后农田土壤在植物生长季都为N₂O的源,常年积水沼泽湿地在植物生长季N₂O排放通量值较小,而土壤水分常年处于非饱和的草甸灌丛土壤N₂O排放相对较高,垦殖后农田土壤N₂O排放通量最大,沼泽湿地土壤N₂O排放通量与土壤温度呈正相关关系,而垦殖后农田土壤不显著。     

三江平原湿地小叶章各器官主要营养元素特征

选择生长在三江平原湿草甸和沼泽化草甸上的小叶章(Calamagrostis angustifolia)为研究对象,在2004～2008年小叶章生长季,测定了其根、茎、叶和叶鞘内的有机碳含量、全氮含量、全磷含量和全硫含量,研究了小叶章体内营养元素含量特征及其生长限制元素。结果表明,在两种类型湿地上生长的小叶章,其体内各器官的有机碳含量、全氮含量、全磷含量和全硫含量都存在差异;两种类型湿地的小叶章地上部分各器官中,全氮含量、全磷含量和全硫含量都是在叶中最大,其次为叶鞘、茎;湿草甸小叶章根营养元素含量明显低于其地上部分各器官,而沼泽化草甸小叶章则相反;两种类型湿地上的小叶章地上部分器官中的各营养元素含量之间多存在显著相关关系,而根中各元素含量之间几乎不相关;氮是限制小叶章生长发育的最主要的营养元素;湿草甸小叶章相对更易受到硫元素的限制。     

东北地区水稻扩张的海拔优势区间分析

及时掌握水稻的时空分布信息,对调整和优化农业生产结构至关重要。论文利用综合考虑植被物候和地表水变化的水稻自动制图方法,结合海拔、地表水体因素开展2001—2017年东北地区水稻分布的时空演变研究。通过889个地面调研点位对水稻分类结果验证,总体精度达90.66%,Kappa系数为0.8128。研究表明:① 21世纪初,东北地区水稻种植面积呈先略减后持续增加的趋势,2017年水稻种植面积达2001年的2.13倍。其中,水稻扩张面积的60%分布在三江平原,30%分布在松嫩平原,下辽河平原仅占不足5%。水稻扩张的海拔优势区间在200 m范围内,随着海拔的上升水稻扩张与地表水关系越来越密切。② 三江平原内,水稻扩张幅度在海拔30~70 m范围内逐渐增加,使优势区间从相对高度70 m缩减至40 m内,也使得分布优势逐渐趋向于距地表水体较远的区域。而松嫩平原和下辽河平原水稻种植分布的海拔优势区间始终分别保持在相对高度100 m、40 m内。③ 三江平原水稻的集中分布和急剧扩张,使水稻分布优势逐渐趋向于距地表水体远的区域,这将对地下水带来更大的压力;而松嫩平原水稻分布受地表水体影响较大,分布优势随着距地表水体距离的增加而减小。研究可为农业部门评估水资源承载力、保障农业可持续发展提供数据支撑及理论参考。     

过去2000年中国农耕区拓展与垦殖率变化基本特征

通过梳理和集成近年研究成果,综述了过去2000年中国主要农耕区拓展的阶段性及其间全国耕地面积和其中近千年垦殖率变化的主要特征。主要结论有：① 中国主要农耕区第一次大规模拓展出现在西汉,从黄河中下游拓至整个长江以北地区;第二次在唐宋时期,主要是长江以南农耕区域从平原低地拓垦至丘陵山地;第三次在清中叶以后,主要是对东北、西北和西南等边疆地区的拓垦和山地的深度开发。② 过去2000年中国耕地面积呈波动增加趋势,公元初突破5亿亩（1亩≈ 667 m²）,8世纪前期突破6亿亩,11世纪后半叶达近8亿亩,16世纪后期突破10亿亩,19世纪前期突破12亿亩,1953年逾16亿亩,1980年逾20亿亩。③ 中国耕地空间分布的主体格局至11世纪前后就已基本奠定。1080年前后,黄淮海、关中平原等的垦殖率达30%以上,长江三角洲、鄱阳湖平原、两湖平原和四川盆地等达30%左右。1850年前后,华北平原、汾渭盆地和陇东地区、四川盆地、两湖平原、鄱阳湖平原及长三角地区等的垦殖率均超过30%。2000年前后,东北平原、黄淮海地区、汾渭盆地和陇东地区、四川盆地、长江中下游平原等农业区中有2/3以上垦殖率超过50%,辽西丘陵、坝上高原、黄土高原及南方各省的丘陵山地也多达15%以上;西北绿洲农业带及青藏高原河谷农业带的局部地区也达50%以上。     

博州气候暖湿化中若干其他气候特征的变化

 博州（博尔塔拉蒙古自治州的简称）作为北疆暖湿敏感区之一,许多与农事活动有关的气候现象以及风能、太阳能等气候资源发生了变化:≥0℃、≥10℃积温显著增加,主要营养生长期气温升高,延迟性低温冷害强度降低,阶段性低温减少;终霜与10℃活动积温初日提前,初霜与10℃活动积温终日推后;冬暖使得采暖成本降低,蔬菜大棚生产规模扩大,冬作物与牲畜安全越冬得以提高,冬季水电发电量得以保障;博乐市第一场透雨推后,透雨次数减少,干旱化趋势增加,同时山区日降水量达12 mm以上的降水次数增加,洪灾增加;冬季河谷日降水量达3.0 mm以上的中量降雪频次增加,山区稳定积雪期缩短;各地风灾频次减少,年平均风速、年日照时数显著减小、减少。作物营养生产期（5—8月）内,博乐气温日较差显著减小,温泉日照时间显著减少。对农业生产而言,这些气象要素的变化似乎总体利多于弊,对风能、太阳能开发利用而言,则反之。     

The spatial-temporal dynamic characteristics of the marsh in the Sanjiang Plain

Using the methods of combining landscape ecology with GIS spatial analysis, this paper analyses the dynamics of the marsh landscape structure of the Sanjiang Plain in the past 20 years, furthermore, taking Fujin County, located in the north of the plain, as an example, analyzes the conversion between marsh and other land use types. It is shown that the marsh in the Sanjiang Plain decreased greatly in the past 20 years, but the trend has begun to reverse. The marsh area decreased by 51.33% from 1980 to 1996, whereas it decreased by 4.19% from 1996 to 2000. The fragmentation of the marsh increased; the number of the patches increased by 326 from 1986 to 1996, whereas it only increased by 18 patches from 1996 to 2000. It is obvious that the speed of patches number diminished and the marsh fragmentation decreased, which shows that the reclamation of the marsh converted from the fragmentation to the brim in a large area of the marsh. The reclaimed marsh has mainly converted to paddy field and dry land. Large-scale reclamation in the Sanjiang Plain influences its natural environment directly: the climate of the region turns from cold and wet to warm and dry, which makes the marsh both in the low-temperature northern part and in the deeply stagnant eastern part suitable for further agricultural development.